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| FASE | 前沿研究：通过精准管理减少农业土壤中的氧化亚氮排放 |
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论文标题：Mitigating nitrous oxide emissions from agricultural soils by precision management(通过精准管理减少农业土壤中的氧化亚氮排放)
期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering
作者：Robert M. REES , Juliette MAIRE , Anna FLORENCE , Nicholas COWAN , Ute SKIBA , Tony van der WEERDEN , Xiaotang JU
发表时间：24 Dec 2019
DOI：10.15302/J-FASE-2019294
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FASE亮文解读
农业绿色发展 Agriculture Green Development
「Mar 2020，Volume7 Issue1，第八篇」
▎亮文ID
Mitigating nitrous oxide emissions from agricultural soils by precision management
通过精准管理减少农业土壤中的氧化亚氮排放
发表年份 : 2020年
第一作者 : Robert M. REES
通讯作者 : Robert M. REES
bob.rees@sruc.ac.uk
作者单位 : 1. 英国爱丁堡苏格兰乡村学院，2. 英国苏格兰佩尼库克生态水文中心，3. 新西兰莫斯格尔农业研究中心，4. 中国农业大学资源与环境学院
Cite this article :
Robert M. REES, Juliette MAIRE, Anna FLORENCE, Nicholas COWAN, Ute SKIBA, Tony van der WEERDEN, Xiaotang JU. Mitigating nitrous oxide emissions from agricultural soils by precision management. Front. Agr. Sci. Eng., 2020, 7(1): 75–80https://doi.org/10.15302/J-FASE-2019294
• 文章亮点 •
1. 农田氧化亚氮减排措施主要有：减少氮肥投入，使用微生物抑制剂，改变土壤环境等。
2. 基于新型技术和信息化的精准农业可以有效减少氮肥投入，优化田间管理。
3. 在新西兰，通过土壤中的电导率感受器可以监测尿素的分布，从而可以通过早期干涉和施加抑制剂的方法降低氧化亚氮的释放。
4. 在放牧草地中，当环境条件超过已知与排放峰值相关的阈值时，将牲畜从放牧区域移走可以显著降低氧化亚氮的排放。
5. 在农田中，将氮肥施用和作物需求关键时期相匹配，可以减少种植系统中氮素损失和氧化亚氮排放。
• 摘 要 •
氧化亚氮（N2O）排放量占农业温室气体排放量的很大一部分。我们迫切需要研究并运用新技术来缓解农田N2O的排放。这篇综述基于英国和新西兰的工作示例，介绍了四种农业系统精准管理方法。这些管理方法可以减少N2O的排放而不会降低产量。农田系统精准管理方法依赖于新的传感技术，建模和空间信息，通过这些技术可以做出可以提高农业生产率和环境保护的管理决策和干预措施。
• 文章内容 •
▎研究背景
人们日渐认识到未来的农业生产必须与环境保护充分结合起来。当人口增长到100亿时，人类社会面临的主要挑战是如何养活这么多人口，且让人类生活在稳定、平稳且有韧性的环境中。而农业是环境的最大威胁之一，因此在农业系统内发展环境管理的新方法是尤为重要的。氧化亚氮（N2O）被认为是一种强大的、长期存在的温室气体，对全球变暖的潜在影响是二氧化碳（CO2）的265–298倍，而这种气体的人为来源中，约有60%来自农业中氮肥和粪肥的使用，因此，在保持农业生产力的同时尽量减少N2O排放量是农业系统未来发展的一个重要考虑因素。
在许多农业土壤中，硝化和反硝化过程同时发生，但会受到环境和管理控制的显著影响。目前减少土壤N2O排放的方法主要集中在三个方面：减少氮输入或改变氮供应形式，使用微生物抑制剂，通过管理改善土壤条件。近年来发表的大量关于农业系统减少N2O排放的综述都使用了上述个别方法或是综合了各项方法。但目前的农田管理方法往往忽略了土地的异质性，对土地实行统一的管理决策，不考虑已知的排放驱动因素之间的差异。而关注创新的土壤和作物管理方法利用精准农业技术来减少N2O排放是更好的选择，更能因地制宜。
▎精准农业下的精准管理
精准农业是通过信息和技术在农场方面做出更好的管理决策。这项技术旨在管理农田的异质性，以提高生产率、盈利能力并改善环境。近年来，用于提供精准农业方法的技术有了非常迅速的发展，包括传感器技术、卫星观测处理和大数据管理、网络和通信系统的改进。随之产生了新的问题，这些技术究竟是否可以用来减少土壤中的温室气体排放，如果可以，又有什么证据表明这些技术起到了作用？本文介绍了英国和新西兰在不同发展阶段采取的可能提供缓解途径的方法的例子。
土壤pH值的精准管理：土壤pH值在调节和改善N2O排放方面具有重要作用。精准施用石灰的新兴方法考虑到了田间pH值的梯度差异（图1），根据土壤达到目标pH值所需的石灰量，在空间上利用可变量施药器施用石灰。尽管这种管理方法是专门通过pH值管理来优化作物生长的，但考虑到排放对pH值的敏感性，在缓解N2O方面很可能会产生协同效益。
图1 在一块位于苏格兰佩尼丘克伊斯特布什区的农田上，以深度20 cm，测定范围10 m×10 m的网格（图上的每一个方块）测得的苏格兰草原土壤pH值和相关N2O排放的空间异质性
管理有机氮的输入：放牧时牲畜在草原土壤中沉积了富含氮的粪便和尿液，这被认为是温室气体排放的重要原因。直至目前，除非通过人工观察，否则仍然很难描述这些放牧输入的空间和时间分布特征。不过，通过使用一种连接了无人飞行器（UAVs）的高分辨率相机的新遥感技术可以使人们能够更好地了解与这种牲畜管理有关的沉积的时空模式。
利用决策支持工具减少放牧系统中N2O的排放：当环境条件超过已知的与排放峰值相关的阈值时，便将牲畜迁移出放牧区域，是放牧草原缓解N2O排放的替代方案。新西兰的一项建模研究使用了此方案，超过土壤特定阈值后将牛从牧场移到一块以松树皮和锯末为地基的区域，实行长期控制的放牧。这种方法的实际应用仍需要进一步试验，但迄今为止的结果表明，特别是对土壤排水不良的田地来说，这是一种有效的且有益于环境的减少温室气体的方法。
在作物系统中进行有针对性干预施氮：提高氮素肥料施用和作物需求之间的同步性一直被认为是减少种植系统氮素损失的一种潜在方法。现在遥感技术可以通过越来越高的分辨率来监测作物生长和发育，冠层反射率可作为作物组织中氮浓度的衡量指标，从而根据整个农田中作物氮含量的差异性调整施肥建议，然后根据氮素吸收高于或低于阈值调整氮肥施用量。还有另一种更复杂的方法是研究与氮素矿化差异直接相关的田间土壤氮素供应变化，然后根据这种变化调整氮素供应。
• 结 论 •
这篇综述通过几个例子说明了农业系统的精准管理对减少土壤中的N2O排放有重要意义。随着我们对农业景观时空认识的提高，我们将创造更多的机会，支持更有效地利用资源，同时减少对环境的影响。这些方法尚未在农业系统中得到广泛采用，而且仍处于发展过程中，但鉴于它们有能力在减少环境影响的同时维持或提高生产力，这些方法有着非常好的应用前景。这些解决方案将涉及到分析、描述养殖环境的大型数据集，以及包含了我们对环境中氮转化理解的建模框架，并最终与决策支持工具相联系，帮助农民和土地使用者在作物管理和环境保护方面做出更优的决策。
摘要
Nitrous oxide (N2O) emissions make up a significant part of agricultural greenhouse gas emissions. There is an urgent need to identify new approaches to the mitigation of these emissions with emerging technology. In this short review four approaches to precision managements of agricultural systems are described based on examples of work being undertaken in the UK and New Zealand. They offer the opportunity for N2O mitigation without any reduction in productivity. These approaches depend upon new sensor technology, modeling and spatial information with which to make management decisions and interventions that can both improve agricultural productivity and environmental protection.
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